基于FPGA的信号发生器的设计摘要信号发生器是一种能产生模拟波形的设备，广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验等领域本设计细介绍了基于FPGA的信号源系统的构造及其设计原理整个系统组成以FPGA芯片为核心，配以必要的外围电路组成FPGA主要进行初值、时钟分频等，外围电路主要分为波形、频率、幅值选择控制电路和数据转换电路两部分系统基于模块化设计，Quartus II为主要开发和仿真环境，采用VHDL语言，将软件与硬件设计相结合，该系统通过了软件仿真测试，实物连接输出实验，能够实现方波、正弦波、三角波和直流量等波形信号的输出及控制关键字：信号发生器 FPGA Quartus IIThe Signal Generator Based on FPGA DesignAbstractSignal generator is a kind of equipment can produce waveforms, widely used in electronic circuits, automatic control and scientific test, etc. This design is introduced based on FPGA fine structure of the source system and the principle of design. The entire system composed by the FPGA chips for the core, with the necessary outer circuit. The initial focus on FPGA, clock, outer circuit consists of frequency, amplitude waveforms; choose the control circuit and the data circuit in two parts. System based on the modular design, Quartus II as the main development and simulation environment, using VHDL language, software and hardware design, this system by combining the software simulation test and experiment, and can realize connecting output pulse, sine wave and flow, triangle straight as the output waveform signal and control.Keywords: Signal generator FPGA Quartus II1 绪论1.1 设计问题的提出随着科学技术的日新月异的发展，各种各样的电子产品也正在逐步向着高精尖技术发展。
电子技术广泛的应用于工业、农业、交通运输、航天航空、国防建设等国民经济的诸多领域中，数字电子技术已经广泛渗透到了人们生活的各个层面，信号发生器[2]是一种常用的信号源，广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验等领域[1]它是一种为电子测量和计量工作提供符合严格技术要求的电信号设备因此，信号发生器和示波器、电压表、频率计等仪器一样是最普通、最基本的，也是应用最广泛的电子设备之一，几乎所有的电参量的测量都需要用到信号发生器[2]传统通信信号发生器信号的产生使用模拟方法，体积大、设备笨重、成本高、功耗大、可靠性差，且精度不高[3]为了避免传统通信信号发生器的信号发生技术带来的诸多不便同时随着数字信号处理和集成电路技术的发展，DDS (直接数字频率合成Direct Digital Synthesizer) 技术被广泛的应用到信号发生器的发生和制作当中[4]但是，为了迎合大部分普通用户以及适应市场需求，绝大多数的DDS集成芯片只能产生传统正弦波、矩形波、三角波等常用周期波形的信号发生器，并且利用DDS集成芯片来产生的信号具有系统不易扩展、输出信号的带宽不易提高、成本高及可靠性低等缺点[5]FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)器件具有高速、高可靠性和现场可编程等优点，已应用于数字电路设计、微处理器系统、DSP、通信及ASIC设计等不同的科技领域 ，因此利用FPGA设计信号发生器具有相当高的优越性和非常广阔的应用前景[6]。
基于以上分析，本设计拟在DDS技术工作原理的基础上，利用FPGA的灵活性（现场可编程）来实现信号发生器的产生[7]这种设计方法不仅可以输出用户需要的任意波形，同时可以通过更改信号发生器与计算机的通信接口来拓展端口地址空间，增加数据位数，提高频率分辨率的精度，增加信号源输出波形种类等各方面性能指标，而且该系统工作稳定、可靠性高、成本低，并具有较好的参考与实用价值[8]1.2 国内外发展现状信号发生器是一种最悠久的测量仪器，早在20年代电子设备刚出现时它就产生了随着通讯和雷达技术的发展40年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使信号发生器从定性分析的测试仪器发展成定量分析的测量仪器同时还出现了可用来测量脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器[9]由于早期的信号发生器机械结构比较复杂，功率比较大，电路比较简单，因此发展速度比较慢直到1964年才出现第一台全晶体管的信号发生自60年代以来信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器，这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，且仅能产生正弦波、矩形波、锯齿波和三角波等几种简单波形，由于模拟电路的漂移较大，使其输出的波形的幅度稳定性差，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形则电路结构非常复杂。
自从70年代微处理器的出现以后，利用微处理器、模数转换器和数模转换器、硬件和软件使信号发生器的功能扩大，产生比较复杂的波形这时期的信号发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形软件控制波形的一个最大缺点就是输出波形的频率低，这主要是由CPU的工作速度决定的，如果想提高频率可以改进软件程序减少其执行周期时间或提高CPU的时钟周期，但这些办法是有限度的，根本的办法还是要改进硬件电路随着现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，极大促进了数字化技术在电子测量仪器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的处理能力，提高了信号测量的准确度、精度和变换速度，克服了模拟信号处理的诸多缺点，数字信号发生器随之发展起来目前信号发生器的基础就是直接数字合成技术，用高速存储器做查询表，通过数字形式存入的波形，由高速数/模转换器产生所需要的波形信号发生器的应用非常广泛，种类繁多首先，信号发生器可以分通用和专用两大类，专用信号发生器主要为了某种特殊的测量目的而研制的，电视信号发生器、脉冲编码信号发生器等这种发生器的特性是受测量对象的要求所制约的。
其次，信号发生器按输出波形又可分为正弦波信号发生器、脉冲波信号发生器、函数发生器和任意波发生器等再次，按其产生频率的方法又可分为谐振法和合成法两种一般传统的信号发生器都采用谐振法，即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡，获得所需频率但也可以通过频率合成技术来获得所需频率利用频率合成技术制成的信号发生器，通常被称为合成信号发生器[10]现代电子测量对于信号源频率准确度和稳定度的要求越来越高，要求较宽的频率范围内可以获得输出频率的高稳定度和准确度对于作为精密量的信号发生器，其频率准确度一般达到10-6~10-7因此传统的信号发生己经越来越不能满足现代电子测量的需要而合成信号发生器则具有很高频率稳定度[11]，其频率准确度一般.可达到10-9或更高的水平它可以输出多波形，有宽而准确的输出电平调节，有较宽的频率输出范围，较小的频率隔，因此其应用前景非常广泛目前FPGA为代表的数字系统现场合成技术正朝着以下几个方向发展：1、向高密度、高速度、宽频带方向发展；2、向低成本、低价格的方向发展；3、向低电压、低功耗和绿色化方向发展；4、结构化ASIC；5、可编程片上系统SOPC；6、动态可重配置DRFPGA；7、单片群集器COD。
1.3 本设计的内容和设计目标本设计，在保证硬件电路功能的前提下，使电路模块化以方便设计和管理整个系统组成以FPGA芯片为核心，配以必要的外围电路组成外围电路主要分为波形、频率、幅值选择控制电路和数据转换电路两部分，完成显示信息以及控制波形数据的模块输出等功能因此，针对以上问题，本设计的工作拟包括以下几个部分：1、选用FPGA集成芯片作为设计的主控芯片，实现信号发生器的产生；2、要求信号发生器输出波形包括正弦波、矩形波、三角波和直流量四种选择；3、对于周期输出信号设定4个以上的频点，输出幅值从0V到5V可调2 信号发生器总体设计要完成基于FPGA的发生器的设计最重要的就是选择合适的设计方案和系统功能模块系统方案设计示意图如（图2.1）所示：波形选择控制单元波形信号发生单元D/A信号转换电路FPGA图2.1 系统方案设计示意图2.1 设计方案的确定2.1.1 设计方案比较根据本设计的内容和目标，现在可以采用两种设计方法实现信号发生器信号源的发生：1. 利用现成的单片DDS集成芯片实现信号发生器信号源的发生[12]；2. 利用FPGA自己设计DDS电路实现信号发生器信号源的发生；基于以上分析，可以采用两种设计方案实现信号发生器信号源的发生，即：DDS集成方案及FPGA集成方案。
l DDS集成方案：即选购符合要求的DDS集成芯片配以简单的FPGA外围电路来达到产生信号源的目的虽然这种方案周期短实现简单，但由于是购买现成的芯片以及DDS集成芯片本身的限制导致这种方案只能产生传统波（正弦波、矩形波、三角波），而且系统不易扩展、输出信号的带宽不易提高、控制方式固定、成本高及可靠性低等缺点；l FPGA集成方案：即以FPGA集成芯片为主，配以波形、频率、幅值选择电路，数据转换电路等外围电路实现信号发生器的硬件设计；同时，在DDS技术工作原理的基础上通过VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language, 超高速集成电路硬件描述语言）编程实现信号源产生的软件设计这种设计方法不仅可以输出用户需要的任意波形，同时可以通过更改信号发生器与计算机的通信接口来拓展端口地址空间，增加数据位数，提高频率分辨率的精度，增加信号发生器输出波形种类等各方面性能指标，而且该系统具有高速传输速率、高可靠性现场可编程、低成本和系统工作稳定可靠等优点；鉴于目前各工业现场较重视对低成本、高可靠性、系统工作稳定性尤其是现场可编程等方面的技术要求，本设计拟采用FPGA集成方案来实现基于FPGA的信号发生器的设计。
2.1.2 方案设计中参数的选取参考时钟频率的选取时钟频率决定了输出的波形样点的速率，最高采样速率愈高，产生输出信号的频带愈宽将数字信号还原为模拟信号，根据采样定理，理论上采样频率只要大于被采样信号带宽的两倍即可但考虑到实际信号不可能是理想的限带信号，因此要进行多点采样设计中，选取最低采样点数为64，若正弦信号最高输出频率为62。